钙钛矿太阳电池空穴传输材料的动力学模拟

摘要

钙钛矿太阳电池作为一种新型全固态薄膜电池，因其效率发展之快而成为可再生能源领域的研究热点。空穴传输材料是构成钙钛矿太阳电池的重要组分之一，具有优化界面、调节能级匹配性等作用，有助于获得更高的能量转化效率。虽然spiro-OMeTAD具有较高的光电转换效率，但其制备困难、价格昂贵，因此研究者们试图寻找廉价高效的空穴传输材料来代替spiro-OMeTAD。长期以来，聚噻吩类空穴传输材料因其具有良好的成膜性和较高的空穴迁移率，以及良好的分子设计特性等特点而受到了广泛关注。硫原子的引入、取代基链的长度以及分子链总体的长度等因素均可以显著影响分子间作用力从而影响材料的堆积方式，最终影响电荷传输速率。一方面，由于晶体结构数据有限，对空穴传输材料分子结构-空间堆积模式-电荷迁移率关系的研究形成了阻碍，从而限制了高载流子传输效率材料的合理设计;另一方面，深入探讨聚噻吩类分子结构变化与其组装形式间的关系是从根本上研究该类材料电荷传输效率提高的必然途径。此外，重整能是计算电荷转移速率的关键参数，重整能越小，则对电荷转移速率越有利。分子堆积使得体系分子的扭转角相对于孤立分子改变较少，重整能降低。因此本工作以分子动力学模拟和QM/MM方法为主要研究手段，对不同尺寸以及噻吩环侧链无取代、甲基(-CH3)取代和乙基(-C2H5)取代的聚噻吩体系进行了系统的动力学(MD)模拟研究和体系重整能的计算，旨在明确:(1)从随机分布的初始结构出发寻找聚噻吩类有机光电材料空间堆积模式的新途径;(2)不同长度聚噻吩体系分子自组装的特点和侧链取代对体系自组装的影响规律;(3)分子尺寸和取代基的引入对结构重整能的影响规律。
　　本论文的第一部分首先对本工作的背景和研究现状进行系统总结。第二部分则主要对分子动力学方法和量子力学方法进行系统介绍。
　　第三到第五部分为论文主体。其中，第三部分以动力学模拟为主要研究手段，构建不同长度寡聚噻吩类分子的无定型体系，进行长时间的动力学模拟，探究其自组装过程，并与晶体结构进行对比，旨在寻找准确、有效定位有机光电材料空间堆积模式的方法。
　　第四部分探讨不同取代基(-CH3、-C2H5)的引入对噻吩类空穴传输材料的空间堆积模式影响，分析其组装形态，并比较各体系组装过程的稳定性。旨在寻找出噻吩环侧链取代对体系的影响规律。
　　第五部分采用量子力学和分子力学结合的方法计算重整能，考察链弯曲与平直结构对重整能数值的影响规律，并探讨分子尺寸和不同取代基的引入对体系重整能的影响规律。第六部分为总结和展望。
　　本工作探讨分子自组装与宏观性质间的关系可望从根本上促进对光伏器件电学特性的了解，为进一步合理选择和设计载流子传输效率理想的空穴传输材料奠定理论基础，对促进钙钛矿太阳电池的光伏性能的提高具有重要意义。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景

1．2 空穴传输材料在钙钛矿太阳电池的应用

1．2．1 Spiro-OMeTAD在钙钛矿电池中的应用

1．2．2 非三苯胺类含氮小分子空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

1．2．3 含硫基团小分子空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

1．2．4 含硫聚合物空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

1．2．5 含氮聚合物空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

1．2．6 无机空穴传输材料在钙钛矿电池中的应用

1．3 影响聚噻吩类空穴传输材料光电性能的因素

1．3．1 区域规整度对光电性能的影响

1．3．2 取代基和分子量对光电性能的影响

1．3．3 扭转角和链间距对光电性能的影响

1．4 本论文的选题背景及工作内容

第2章 理论基础与计算方法

2．1 分子动力学

2．1．1 分子动力学简介

2．1．2 运动方程的求解

2．1．3 周期性边界条件

2．1．4 时间步长的选取

2．1．5 模拟系综

2．1．6 分子动力学模拟流程

2．2 量子力学

2．2．1 量子力学简介

2．2．2 薛定谔方程

2．2．3 密度泛函理论

2．2．4 Hohenberg-Kohn(HK)定理

2．2．5 密度泛函理论的应用

2．3 本章小结

第3章 不同长度寡聚噻吩类分子的空间堆积方式的研究

3．2 计算模型和方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 体系动力学稳定性分析

3．3．2 自组装模式分析

3．4 本章小结

第4章 不同取代基的聚噻吩类分子的空间堆积方式的研究

4．1 引言

4．2 计算模型与方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 体系动力学稳定性分析

4．3．2 自组装模式分析

4．4 本章小结

第5章 分子尺寸和取代基的引入对结构重整能的影响规律

5．1 引言

5．2 计算模型与方法

5．3 结果与讨论

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢